用了0.2克月壤，他们发现重大秘密

研究人员在严格规定的环境中称量月壤。受访者供图

　　第一次用月球土壤做实验，称量0.02克月壤时，南京大学教授姚颖方紧张得整个手都在抖。

　　他所做的研究是利用月球土壤中的一些成分作为人工光合成催化剂，把人类呼出的二氧化碳、月球表面开采的水等，制造成氧气、氢气、甲烷以及甲醇。

　　如能掌握这项技能，就算没有来自地球的补给，人类也能在月球上就地取材，生产生存必需的氧气、水等。它可以帮助人类构建月球基地和月球中继站，为更遥远的宇宙探索和星际旅行提供能源补给。

　　近日，由中国空间技术研究院嫦娥五号探测器系统总指挥、总设计师杨孟飞院士，中国科学院物理研究所汪卫华院士，以及南京大学邹志刚院士领衔的研究团队，提出了月球地外人工光合成策略，研究总共用了约0.2克月壤。该成果发表于《焦耳》。

　　筛选出两种方式，实现月壤高效催化

　　要想在月球上居住和生存，水、氧气和能源必不可少。靠地球输送始终是杯水车薪，科研人员希望能从月球“土著”资源中寻找更多可能性。

　　两年前，美国宇航局（NASA）宣布月球表面有水分子存在，我国发射的嫦娥五号探测器通过对月壤进行原位探测，更证实了月球上水资源的存在。

　　水不仅能够供宇航员饮用，还能转化为两个宝贝。“我们前期参与了中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室牵头的一个项目，叫月球表面水资源的开采和光化学转化，也就是把水分解成氢气和氧气。”论文第一作者姚颖方在接受《中国科学报》采访时说。

　　拿到嫦娥五号带回的月壤后，团队特别想看看月壤作为催化材料是否也能实现水变氢气和氧气，以及月壤能不能在二氧化碳的转化中发挥一定作用。

　　这次获得的月壤是月球表面非常年轻的玄武岩，这种矿物中富含铁、钛等人工光合成中常用的催化剂成分。“我们通过机器学习等方法，分析出月壤中大约有24种矿物成分，其中的钛铁矿、氧化钛、羟基磷灰石，以及多种铁基化合物等8种成分都有较好的光催化性能。”姚颖方介绍。而且，月壤表面有很丰富的微孔和囊泡结构，能进一步提高其催化性能。

　　为寻找最优方案，科研团队对月壤催化进行了多种尝试以评估其性能。比如，用光伏电解水的方式实现氢气和氧气的转化；光催化水分解成氢气和氧气；光催化二氧化碳转化成一氧化碳、甲烷和甲醇；光热催化二氧化碳加氢产生甲烷和甲醇。

　　最终，他们筛选出光伏电解水和光热催化二氧化碳加氢这两种方式，它们可以实现最高的月壤催化效率，而且得到的物质更有用、更纯净。

　　“甲烷作为一种燃料，是非常好的航天器推进剂；甲醇的用处就更广了，我们身上穿的、用的，很多有机化合物里都有甲醇。能源源不断生产甲醇，意味着我们可以在月球建立甲醇化工厂，生产人类所需的化学品。”姚颖方说。

　　用月壤催化得到的氧气、氢气、甲烷以及甲醇这4种物质是人类在月球表面生存且构筑基地和中继站所必需的。作为月球上最丰富的资源之一，月壤资源有着巨大的发展空间和潜力。

　　原地原位，大幅降低发射载荷和成本

　　在这之前，科学家已经提出了许多地外生存策略，但是大多数设计都依赖来自地球的能源。

　　比如，NASA于2020年发射的“毅力号”火星探测器携带的火星氧气现场资源利用实验仪器（MOXIE），可以用火星大气中的二氧化碳制造氧气，但该仪器靠同位素电池驱动，通过高温条件下的电化学方式实现二氧化碳分解成一氧化碳和氧气的过程。

　　“他们当时设计的标准是每小时10克的氧气转化效率，但最终在火星表面实现了每小时约6克的转化效率。”姚颖方表示，“效率非但不高，而且据说装置非常笨重，很有可能需要不断地更换电池，这意味着要多次发射飞船，大大增加载荷。”

　　发表于《焦耳》的研究中的地外人工光合成技术相对简单，完全利用地外资源与环境生产氧气、燃料和生存用品。

　　月球晚上的温度为零下173摄氏度，二氧化碳在零下78.5摄氏度下会变成干冰，所以在月球夜间，可以将二氧化碳从人类呼出的气体中直接分离，再用月球表面开采的水资源分解出氢气和氧气，氧气供人呼吸，二氧化碳则和氢气放到一起。到了白天，月球温度高达127摄氏度，可以巧妙实现原地原位二氧化碳加氢气转化成甲烷的过程。

　　“这样做可以大幅降低火箭发射载荷，减少飞船飞往月球甚至更远的外太空所需的成本，从而实现可承受、可持续的深空探测。”姚颖方说。

　　类比大航海时代，全世界已经达成一个共识，在不远的将来，人类将进入大航天时代。目前已经有人前赴后继地探索太空。我国提出要建设地月空间经济区，中国科学院院士包为民曾估计，到2046年，我们每年在地月经济区的总产值至少达到10万亿美元的量级规模。

　　“如果我们想对地外世界进行大规模探索，就要尽可能少地依赖地球补给，转而使用地外资源，建立地外循环系统，这样才能实现地月空间经济区。”姚颖方表示，“我们的战略是为可持续和可承受的外星生活环境提供一个‘零能耗’的生命保障系统。”

　　弥足珍贵的1克月壤

　　2021年7月12日注定是姚颖方一生都难以忘怀的日子。这天，他随邹志刚院士一起，到国家航天局探月与航天工程中心现场观礼了月壤发放仪式。同时，作为中国空间技术研究院联合研究团队成员的南京大学研究团队对1克月壤开展了研究。

　　“整个过程让我激动不已！在此之前，我从未想过自己会加入如此光荣的队伍里，而且我们还是第一批发放月壤的13家科研单位里唯一一个以材料、催化和能源作为切入点的联合研究团队。”姚颖方每每想起就心潮澎湃。

　　别看此次用于研究的月壤只有1克，却弥足珍贵。要知道当年美国阿波罗号从月球带回、作为国礼送给我国领导人的月壤，也只有0.5克。

　　月壤接回南京大学后，被保存于学校为其量身打造的超净环境。该环境严格按照国家航天局颁发的《月球样品使用规定》设计，氧气含量不高于20ppm（百万分率），水蒸气含量不高于50ppm。同时，储存空间必须不间断、零死角监控，实验期间须进行实时影音记录和文字记录。

　　姚颖方清晰地记得第一次用0.02克月壤，当时还发生了一件趣事。姚颖方想让自己的学生来“开启”这神圣的时刻，没想到学生太激动以至于不敢操作。亲自上阵的他也是格外紧张，“在称量0.02克月壤的时候，我整个手紧张到发抖，月壤实在太宝贵了”。

　　月壤来之不易，第一站落户中国空间技术研究院，实现联合研究，团队有邹志刚、汪卫华、杨孟飞三位院士。这三位还在中国空间技术研究院共同构建了地外生存物理化学过程院士工作室。

　　“正是基于这个工作室，我们才有机会领取到这么宝贵的月壤。此次研究总共用了其中的约0.2克月壤。”姚颖方说。

　　据介绍，这项研究由南京大学与中国空间技术研究院、香港中文大学（深圳）、中国科学技术大学合作完成。在整个研究过程中，团队成员都非常团结，且干劲满满，每个月都要进行研究过程和进展的汇报及交流。更重要的是，他们在开展研究时也会尽最大努力保护月壤的原始性，最大限度减少研究过程中带来的损耗。

　　姚颖方透露，他们正在寻找在太空测试该系统的机会，盼望未来实现搭载，在载人登月任务中完成验证。

　　相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.04.011

　（原载于《中国科学报》 2022-05-17 第1版 要闻）